基于無人機遙感技術的土壤流失監(jiān)測研究

謝 翔，段文明，孟 琳，趙登良，徐 偉

(青島市水利勘測設計研究院有限公司(濟南中心)，山東 濟南 250000)

0 引言

水土流失會導致土體質量下降，生態(tài)惡化等現(xiàn)象，采取相關水土保持措施對保護生態(tài)環(huán)境意義重大，采用無人機遙感技術對水土保持措施的實施效果進行監(jiān)測效率較高，這也是近年來許多專家學者的常用方法。肖莉等人[1]以某地區(qū)公路工程為研究對象，采用低空無人機遙感技術，對其水土保持措施的實施效果進行動態(tài)監(jiān)測，結果表明：無人機遙感技術可以準確、直觀的反映該工程的水土流失情況，可行性較高。程曦等人[2]以某輸變電工程為研究對象，基于無人機低空遙感技術，建立該工程的數(shù)字表面模型，對其水土保持防治效果進行監(jiān)測，結果表明：采用無人機對該地區(qū)的水土流失進行監(jiān)測的準確性較高，可直觀反映其防治效果。劉祥等人[3]以某地區(qū)棄渣場為研究對象，采用無人機遙感技術對其水土流失情況進行監(jiān)測，并將其監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行對比，結果表明：采用無人機遙感技術監(jiān)測水土流失的誤差小于5%，準確性較高。陳宇等人[4]基于無人機技術，對某水利樞紐工程的水土流失情況進行監(jiān)測，結果表明：該工程水土保持措施的實施效果良好，且無人機監(jiān)測的準確性較高。丁宏宇等人[5]以某煤礦工程為研究對象，基于無人機遙感技術，建立其三維模型，分析該地區(qū)的土壤流失及水土保持情況，結果表明：該技術的監(jiān)測誤差為5.8%，可行性較高。本次研究采用無人機遙感技術，并結合Pix4D軟件及Pho-Loc模型，對該地區(qū)棄土場的土壤流失情況進行測算。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)為研究對象，該地區(qū)氣候為亞熱帶高原季風型，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，其雨季主要集中于5—10月，日照充足，無霜期達9個月。該地區(qū)土壤以綠洲潮土、風沙土為主，其水文氣象見表1。

表1 水文氣象情況

由于該地區(qū)地勢復雜，且河流湖泊較多，年均降雨量高達813mm，經(jīng)常發(fā)生滑坡、泥石流等地質災害，水土流失十分嚴重，且以水力侵蝕為主，平均土壤侵蝕模數(shù)200t/(km2·a)，水土流失面積為1.047×105萬km2，其中，中輕度流失面積占比58.8%，中度流失面積占比16.81%，強烈流失面積占比10.88%，極強烈流失面積7.64%，劇烈流失面積4.35%。

2 無人機遙感技術及相關設備

為分析該地區(qū)的土壤流失情況，以該地區(qū)的3個棄土場為研究對象，分別為1#棄土場、2#棄土場、3#棄土場，其控制點數(shù)量分別為7個、7個、8個，其檢查點數(shù)量均為3個。無人機及相機相關參數(shù)見表2—3。

表2 無人機相關參數(shù)

表3 相機相關參數(shù)

利用無人機遙感技術得出的數(shù)據(jù)，可采用Pix4D、PhotoScan等軟件對其進行處理，即可得出棄土場的DOM影像，以此測算監(jiān)測對象的周長、坡度、坡長等參數(shù)，根據(jù)坡體的相關參數(shù)即可得出棄土場的面積，結合該地區(qū)的降雨量數(shù)據(jù)，即可計算出棄土場的土壤流失量(Sr)，其計算公式如式(1)所示。

Sr=γSLcosθ×103

(1)

式中，γ—土壤容重，g/cm3；S—棄土場面積，m2；L—土壤流失厚度，mm；θ—棄土場坡體坡度，(°)。

為研究不同軟件處理數(shù)據(jù)的準確性，對比分析Pix4D、PhotoScan軟件得出的棄土場面積計算結果，見表4。由表4可知，采用PhotoScan軟件處理得出的棄土場面積的最大誤差為13.45%，最小誤差為0.54%，其平均誤差為6.81%；采用Pix4D軟件處理得出的棄土場面積的最大誤差為6.79%，最小誤差為0.53%，其平均誤差為3.26%。說明Pix4D軟件較為準確，且其誤差波動范圍較小，其測量結果較為穩(wěn)定。以采用Pix4D軟件得出的棄土場面積為研究對象，分析不同模型對其測量精度的影響可得：Pho-Con模型得出的測量誤差最小，其平均誤差為2.33%；Pho-Loc模型得出的測量誤差最大，其平均誤差為4.57%。

表4 棄土場面積計算結果

綜合以上分析可得：采用Pix4D軟件及Pho-Loc模型得出的棄土場面積誤差最小，因此，本研究采用以上軟件及模型進行監(jiān)測。

3 結果分析

采用無人機遙感技術對1#棄土場土壤流失量進行測算，結果見表5。由表5可知：該棄土場的最大土壤流失量為1453.010kg，此時所對應的降雨量為4mm；最小土壤流失量為208.049kg，此時所對應的降雨量為21.4mm；對比不同坡面的土壤流失量可得：其間的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，a面與c面的土壤流失量較小，均值分別為72.77、74.18kg，b面與d面的土壤流失量較大，均值分別為227.67、258.86kg，說明該棄土場的土壤流失以其b面與d面為主。

表5 1#棄土場土壤流失量

采用無人機遙感技術對2#棄土場土壤流失量進行測算，其計算結果見表6。由表可知：該棄土場的最大土壤流失量為5968.795kg，此時所對應的降雨量為41mm；最小土壤流失量為1307.186kg，此時所對應的降雨量為25mm，對比1#棄土場數(shù)據(jù)可得：2#棄土場的土壤流失量較大，且二者間的差值較大，說明2#棄土場的水土保持方案實施效果較差，對環(huán)境改善效果較不明顯。不同坡面的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，c面流失量最大，其均值為1350.47kg，b面流失量最小，其均值為185.18kg，說明2#棄土場的土壤流失以其c面為主。

采用無人機遙感技術對3#棄土場土壤流失量進行測算，其計算結果見表7。由表可知：該棄土場的最大土壤流失量為13641.286kg，此時所對應的降雨量為30.4mm；最小土壤流失量為2897.116kg，此時所對應的降雨量為18.4mm。在3個棄土場中，3#的土壤流失量最大，說明其水土流失情況較為嚴重，且該地區(qū)所采用的水土治理方案對其改善效果較不明顯。不同坡面的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，a面最大，其均值為3370.90kg，c面最小，其均值為695.85kg，說明3#棄土場的土壤流失以其a面為主。

表7 3#棄土場土壤流失量

為分析采用無人機遙感技術對土壤流失量測算的準確性，以3#棄土場為研究對象，將其測算得出的模擬值與實測值進行對比，如圖1所示。由圖可知，無人機遙感技術得出的土壤流失量與降水量間呈正相關關系，隨著降雨量的增大，棄土場的土壤流失量逐漸增大。對比實測值與模擬值可得，土壤流失量模擬值均大于其實測值，且當降水量較大時，二者間的差異較為明顯，當降水量較小時，而二者間的差值較小，說明當降雨量較小時，采用無人機遙感技術對棄土場的土壤流失情況進行測算的準確性較高，當降水量較大時，采用無人機遙感技術測算棄土場的土壤流失情況準確性較差。

圖1 模擬值與實測值對比圖

4 結論

本研究通過大量的實地測量及軟件模擬數(shù)據(jù)進行分析對比，驗證了無人機遙感技術監(jiān)測區(qū)域水土流失情況的可行性，而且也給出了處理數(shù)據(jù)最合適的軟件和模型，這些都會給相關的工作提供技術和經(jīng)驗指導。但需要注意的是：本文所研究的區(qū)域僅僅是3個棄土場，相對于其他不同地形地貌來說，其是否存在特殊性還有待分析，至少需要更多數(shù)據(jù)去驗證。而且各地區(qū)在土壤類型、地質條件、降雨量、溫度等方面也存在極大差異，在本地區(qū)應用效果較好的監(jiān)測方法，并不一定適合其他地區(qū)，因此在應用無人機遙感技術時，還需要結合當?shù)厍闆r具體分析，不可盲目照搬其他工程的成功經(jīng)驗。